Sostituzione nucleofila SN2

Una reazione di sostituzione nucleofila  può generalmente essere indicata secondo l'equazione (Lg sta per leaving group):

Ma questa non può dirci niente circa lo svolgimento effettivo della reazione. Questa utile indicazione viene data invece dalla cinetica. In particolare, per una reazione SN2 l'equazione cinetica è di secondo ordine, ovvero:

v = [Nu] · [R − Lg]

Che sta a significare che la velocità di reazione dipende dalla concentrazione di entrambi i reagenti secondo lo stesso ordine.

Per giustificare quest' equazione cinetica si propone un meccanismo bimolecolare concertato.

Il meccanismo di reazione

Per meccanismo bimolecolare concertato si intende che allo stesso tempo si hanno sia la formazione del nuovo legame (nucleofilo-carbonio) che la rottura del vecchio (carbonio-gruppo uscente). Si passa da uno stato di transizione che coinvolge sia il nucleofilo che il gruppo uscente, legati parzialmente all'atomo di carbonio.

Potremmo spiegarlo in modo molto semplicistico così: Il nucleofilo si avvicina al carbonio sp₃ dalla parte opposta rispetto a quella del gruppo uscente (nella nostra immagine X). Quindi, l'orbitale HOMO del nucleofilo inizia a sovrapporsi all'orbitale vuoto LUMO del carbonio. Mentre il legame nucleofilo-carbonio gradualmente si forma, quello carbonio-gruppo uscente gradualmente si indebolisce (meccanismo concertato). Dato che alla reazione partecipano sia il nucleofilo che il gruppo uscente, è giustificato anche il termine "bimolecolare".

Il diagramma energetico

Il cosiddetto "stato di transizione" corrisponde ad un picco energetico della reazione, perchè la formazione di nuovi legami covalenti necessita che ne vengano rotti di vecchi e quindi ci deve essere una certa spesa energetica affinchè la reazione proceda. In questo diagramma energetico è rappresentata la nostra reazione, che avviene con diminuzione di energia libera (è una reazione esoergonica) dato che l'energia libera dei prodotti è minore dell'energia libera dei reagenti. Nonostante quindi la reazione sia favorita dal punto di vista termodinamico, è necessario superare una barriera energetica affinché avvenga, quella che noi abbiamo indicato come ΔG^t, che potremmo chiamare energia libera di attivazione, o più semplicemente energia di attivazione. In qualsiasi tipo di reazione, che sia esoergonica o endoergonica si dovrà passare sempre e comunque da un massimo di energia, dato proprio dallo stato di transizione. Il motivo è insito nel concetto stesso di reazione chimica; in una reazione chimica varia la composizione della materia, perchè si rompono dei legami e ne vengono formati di nuovi. Se anche l'energia dei nuovi legami è più bassa di quella dei vecchi legami, per rompere i vecchi legami bisognerà fornire un quantitativo più o meno grande di energia.

...Ricapitolando 

Rivediamo quali sono le peculiarità di una reazione di sostituzione nucleofila SN2.

• Equazione cinetica del secondo ordine: v = [Nu] · [R − Lg] . Si può aumentare la velocità di reazione aumentando sia la concentrazione del nucleofilo che del substrato (R  − Lg). La reazione è bimolecolare e avviene secondo un meccanismo concertato. Si passa da uno stato di transizione in cui sono presenti sia il nucleofilo che il gruppo uscente parzialmente legati al carbonio.
• Inversione di configurazione del carbonio che porta il gruppo uscente. Infatti il nucleofilo entra dalla parte opposta da cui esce il gruppo uscente.
• Durante la reazione cambia l'ibridazione del carbonio, da sp₃  iniziale a sp₂ dello stato di transizione (con orbitale p disposto perpendicolarmente) a sp₃ del prodotto.

Considerazioni quantitative

La cinetica ci ha dato un sacco di notizie sull'effettivo svolgimento di una reazione di sostituzione SN2, ma non ci dice molto dal punto di vista quantitativo. Non da infatti mezzi per capire dove sarà spostato il seguente equilibrio

A questo fine, i fattori che giocano il ruolo più importante sono: l'ingombro sterico del substrato, la natura del nucleofilo e la natura del gruppo uscente.

...Il ruolo del substrato

Dato che in una reazione SN2 il nucleofilo attacca il carbonio sp₃ dalla parte opposta rispetto al gruppo uscente gioca un ruolo molto importante la natura del substrato, ovvero i gruppi che sono legati al carbonio saturo (centro reattivo). Gruppi molto ingombranti sfavoriscono infatti una SN2, dato che rendono più difficile l'accesso del nucleofilo al centro reattivo.

 

Ad esempio, la reazione sulla sinistra praticamente non avviene, perché i tre gruppi metilici ostruiscono, dal punto di vista spaziale, l'ingresso del nucleofilo.

Si è verificato sperimentalmente che l'ordine di velocità delle reazioni di sostituzione SN2 su un alogenuro alchilico è il seguente:

 alogenuro metilico  > alogenuro primario > alogenuro secondario  >> alogenuro terziario

E questo perchè il centro reattivo dell'alogenuro metilico porta 3 idrogeni, quello dell'alogenuro primario 2 idrogeni e 1 carbonio ed infine quello dell'alogenuro secondario porta 2 carboni ed un idrogeno. L'alogenuro terziario, assimilabile all'immagine sulla sinistra, subisce in maniera insignificante la SN2.

Possiamo giustificare quest'ordine di reattività facendo anche una considerazione di natura energetica. Nelle reazioni SN2, il carbonio che porta il gruppo uscente è inizialmente ibridato sp₃ ed è legato a quattro sostituenti, con angoli di legame che possiamo approssimare a 109°. Nel passaggio dallo stato di transizione, passa ad ibridazione sp₂ , ed è legato a 5 sostituenti diversi. La struttura assunta è quindi una bipiramide trigonale, con 3 angoli a 120° e 6 (3 sopra e 3 sotto) a 90°. Un bell'aumento di ingombro sterico.

Sostituenti via via più ingombranti portano quindi a stati di transizione via via più elevati; in alcuni casi, come per esempio per gli alogenuri terziari, la barriera energetica (vedi diagramma precedente) diventa pressoché insormontabile.

...Il ruolo del nucleofilo

Ricapitolando quello che abbiamo già visto nel seguente articolo, i nucleofili più forti sono quelli che reagiscono più velocemente in una reazione di sostituzione nucleofila. Non ci resta quindi che stabilire quali sono i nucleofili più forti. In realtà, anche il solvente gioca un ruolo nel determinare il comportamento di un nucleofilo, ma nel presente articolo prenderemo in considerazione solamente il comune ambiente acquoso.

• La nucleofilicità aumenta scendendo lungo un gruppo della tavola periodica, confrontando ioni o molecole neutre. Quindi, ad esempio:
  •  I^- > Br^- > Cl^- > F^-
  •  HS^- > HO^-

• La nucleofilicità aumenta spostandosi da sinistra a destra lungo il periodo della tavola periodica (seguendo l'aumento di basicità). Quindi, ad esempio:
  • NH₂^- > OH^- > F^-    
  • HS^- > Cl^-

Infine, nel caso di specie nucleofile più complesse, bisogna tenere conto dell'ingombro sterico, ovvero dello spazio occupato dal nucleofilo e relativi sostituenti. Ad esempio, il terz-butossido è una base più forte dell'etossido , ma è un

peggior nucleofilo dato che i tre gruppi metilici gli impediscono di avvicinarsi efficacemente ad un centro reattivo. Quindi, per stabilire quale nucleofilo opera preferenzialmente in una SN2 non possiamo basarci sulle regole empiriche mostrate sopra, dobbiamo anche tenere conto della sua struttura.

 

 

...Il ruolo del gruppo uscente

L'ultimo fattore di cui tenere conto è il gruppo uscente, ovvero l'atomo o molecola carico o neutro che si distaccano dal carbonio saturo a seguito dell'attacco di un nucleofilo. Un buon gruppo uscente, ovvero un atomo o molecola che si distacchino facilmente dal carbonio saturo, faciliteranno la reazione di sostituzione SN2 (il discorso in questo caso è altrettanto valido per una SN1).

Secondo una regola empirica, in una reazione di tipo:

Il gruppo uscente è tanto migliore quanto più l'acido coniugato H−Lg è un acido forte. Non resta quindi che conoscere la pKa dell'acido coniugato per sapere qual è il migliore di due o più gruppi uscenti. Sotto, una tabella che riporta una scala di bontà di diversi gruppi uscenti comuni nelle reazioni organiche: